地鐵隧道下穿津秦客專橋梁安全性分析

馬 曉 磊

(天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津　300000)

0　引言

隨著國內(nèi)地鐵工程的快速發(fā)展，高速鐵路的加快建設(shè)，地鐵工程與既有鐵路交叉在所難免，由于高鐵工程運(yùn)營對(duì)于結(jié)構(gòu)沉降、變形要求極為嚴(yán)格，幾乎要求為“零沉降”，所以對(duì)于地鐵隧道鄰近或者穿越既有高鐵路基橋梁變形控制較為困難，現(xiàn)國內(nèi)存在不少類似工程，但本工程地質(zhì)較差，屬于濱海沉積軟土層，側(cè)穿既有高鐵橋梁對(duì)其影響難以忽略，本文根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行安全性分析，并提出相應(yīng)控制措施及建議。

1　工程概況

天津市濱海新區(qū)軌道交通B1線一期工程欣嘉園東站—欣嘉園站區(qū)間，區(qū)間右線長(zhǎng)1 399.814 m，縱斷面為V形坡，隧道覆土5.22 m～15.34 m，盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)區(qū)間下穿津秦客專，既有線路運(yùn)營里程為59+700，盾構(gòu)區(qū)間左、右線分別從津秦客專的115號(hào)墩～116號(hào)墩和116號(hào)墩～117號(hào)墩間穿過。區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮距橋墩承臺(tái)底約2.695 m，距離橋樁水平凈距為8.26 m～9.07 m。下穿鐵路主要參數(shù)如表1所示。

表1　鐵路主要參數(shù)表

2　工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)地勘報(bào)告，該區(qū)間自上而下分別為①1雜填土、①2層素填土、④1層灰黃色粘土、⑥1層灰色粉質(zhì)粘土、第⑥1-1層灰色粉砂夾粉質(zhì)粘土、⑥2-4層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑥3層灰色含粘性土粉砂、⑥4層灰色粉質(zhì)粘土、⑥5層灰色粘質(zhì)粉土、⑦層灰色～黃灰色粉質(zhì)粘土、⑧2層草黃～灰色粉砂夾粉土、⑨1層灰黃色粉質(zhì)粘土、⑩1層灰色粉質(zhì)粘土、第1層灰黃～淺灰色粉質(zhì)粘土夾粉土、2層灰黃色粉砂夾粉土、3層灰黃色粉質(zhì)粘土，其中淤泥質(zhì)層厚度約7 m～12 m。地下水類型分為潛水含水巖、承壓水層，地下潛水初見水位多不明顯，局部測(cè)得埋深2.60 m，相當(dāng)于標(biāo)高0.26 m；靜止水位埋深0.80 m～3.00 m，相當(dāng)于標(biāo)高-0.12 m～-0.50 m。潛水水位一般年變幅在0.50 m～1.00 m左右。第一承壓含水層：全新統(tǒng)第Ⅱ陸相河床～河漫灘相沉積層粉砂、粉土(地層編號(hào)⑧2)為第一承壓含水層；第二承壓含水層：上更新統(tǒng)第Ⅲ陸相河床～河漫灘相沉積層粉土、粉砂(地層編號(hào)⑨2)為第二含水層，該含水層分布不穩(wěn)定；第三承壓含水層：上更新統(tǒng)第Ⅱ海相濱?！毕珟喑练e層粉砂為主(地層編號(hào)⑩4)、上更新統(tǒng)第Ⅳ陸相河床～河漫灘相沉積層粉砂(地層編號(hào)2)為第三承壓含水層，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)均基本有分布，含水層累計(jì)厚度大，該含水層頂板、底板埋深均有所變化。上更新統(tǒng)第Ⅲ海相淺?！獮I海相沉積層粉質(zhì)粘土(地層編號(hào)1)可視為第三承壓含水層與其下含水層相對(duì)隔水層。

3　既有鐵路影響及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

既有鐵路控制指標(biāo)主要受路基、線路、軌道及線路養(yǎng)護(hù)情況等因素的影響，工程施工必須保證既有鐵路的安全運(yùn)營。既有鐵路控制指標(biāo)主要包括路基沉降、位移平均速率、位移最大速率、軌道幾何尺寸容許偏差及軌道坡度允許控制值。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，自2016年1月和2016年7月113號(hào)～120號(hào)橋墩的差異沉降量值(即相鄰兩個(gè)橋墩之間的高差變化)在0.2 mm～1.1 mm之間，差異沉降變化較小。

本段線路為無砟軌道，按照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)[2012]83號(hào))要求的線路軌道靜態(tài)和動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合既有設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，既有鐵路路基、軌道控制指標(biāo)參考數(shù)值見表2。

表2　軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值

4　施工過程數(shù)值模擬

4.1　計(jì)算思路及原則

采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型，模擬兩次盾構(gòu)下穿鐵路橋梁，分析盾構(gòu)通過后鐵路橋梁的沉降、橋墩傾斜以及橋梁變形。依據(jù)大型有限元軟件Midas GTS-NX，對(duì)B1線側(cè)穿津秦客專高架橋結(jié)構(gòu)影響建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比不同工況來分析確定隔離樁的樁長(zhǎng)和隔離樁樁間距，確保在不影響津秦客專高架橋樁結(jié)構(gòu)安全性的前提下B1線能夠順利施工。

4.2　保護(hù)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，工程采用φ800@900隔離樁+洞內(nèi)注漿加固，施工采用對(duì)土體擾動(dòng)較小的工法，如旋挖鉆施工、鉆孔灌注樁施工。

1)隔離樁中心距離既有樁基較遠(yuǎn)，最近處約為5.8 m，根據(jù)橋梁工程經(jīng)驗(yàn)，隔離樁中心距離既有樁基不小于2.5d(d為隔離樁直徑)，隔離樁施工對(duì)既有樁基的影響極小；

2)既有鐵路樁基長(zhǎng)約52 m，隔離樁長(zhǎng)度15.22 m，隔離樁長(zhǎng)度小于既有樁基長(zhǎng)度的1/3，施工對(duì)既有樁基影響范圍??；

3)隔離樁施工期間不需要施工降水，對(duì)既有樁基沉降影響較??；

4)欣嘉園站施工期間為保護(hù)臨近圖書館(樁基礎(chǔ))，打設(shè)隔離樁，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，施工隔離樁本身對(duì)既有樁基影響較小。

綜上所述，本工程隔離樁施工期間，對(duì)既有樁基沉降影響可忽略不計(jì)。因此采用φ800@900隔離樁+洞內(nèi)注漿加固對(duì)橋樁進(jìn)行保護(hù)。

4.3　計(jì)算模型

建立三維模型計(jì)算結(jié)構(gòu)變形，計(jì)算采用Midas GTS分析軟件建立整體三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。以津秦客專軸線方向?yàn)閅軸，其垂直方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸建立三維模型計(jì)算分析，為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取80 m，Y軸方向(津秦客專線路方向)取120 m，Z軸(深度)方向取80 m。模型計(jì)算采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元和8節(jié)點(diǎn)六面體單元，共劃分單元46 267個(gè)，節(jié)點(diǎn)17 247個(gè)。模型中具體幾何關(guān)系和空間位置根據(jù)實(shí)際關(guān)系建立(見圖1)。

4.4　結(jié)果分析

本次計(jì)算區(qū)間分別施工左線和右線，采取隔離防護(hù)樁配合洞內(nèi)注漿加固對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，隔離樁為φ800@900鉆孔灌注樁，與區(qū)間隧道外皮凈距為2.0 m，隔離樁伸入隧道底3 m，保護(hù)長(zhǎng)度為沿隧道線路方向超出樁基2倍洞徑。

通過以上分析結(jié)果來看，采用隔離+洞內(nèi)注漿措施對(duì)鐵路進(jìn)行保護(hù)，橋梁的各項(xiàng)變形指標(biāo)均滿足要求(見圖2，圖3)。

4.5　隔離樁施工要求

1)提高護(hù)筒埋設(shè)效果，護(hù)筒埋設(shè)深度不小于1.5 m。埋設(shè)護(hù)筒時(shí)對(duì)護(hù)筒外側(cè)由底向上澆筑500 mm厚混凝土護(hù)圈，護(hù)筒周邊用粘土分層夯實(shí)，保證護(hù)筒穩(wěn)定。護(hù)筒內(nèi)泥漿應(yīng)高出地下水位1.5 m以上。

2)控制鉆機(jī)進(jìn)尺速度，鉆進(jìn)速度不宜過快，防止塌孔。在泥漿中適當(dāng)摻入水泥漿，保護(hù)孔壁，泥漿比重控制在1.05～1.15之間。

3)泥漿的制備應(yīng)選用高塑性粘土或膨潤土，灌注混凝土前，孔底500 mm以內(nèi)的泥漿相對(duì)密度應(yīng)小于1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28 s。

4)清孔時(shí)嚴(yán)格控制泥漿比重，并不斷置換泥漿，直至灌注水下混凝土，防止泥漿比重過低，首罐混凝土量適當(dāng)加大，吊裝鋼筋籠時(shí)避免與孔壁發(fā)生剮蹭。

5)鉆孔過程中發(fā)生斜孔、塌孔和護(hù)筒周圍冒漿、失穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)停鉆，采取相應(yīng)措施。

5　盾構(gòu)施工方案

在開始掘進(jìn)的前100 m宜作為盾構(gòu)施工的試驗(yàn)段，并對(duì)試驗(yàn)段地面沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)控制參數(shù)、地層的沉降規(guī)律進(jìn)行分析比較，以確定盾構(gòu)機(jī)在不同地層中的掘進(jìn)參數(shù)，把施工對(duì)周邊環(huán)境的影響控制在允許范圍內(nèi)，同時(shí)，左右線盾構(gòu)掘進(jìn)至少間隔30 m。配合地面量測(cè)及時(shí)進(jìn)行壁后注漿和二次注漿。嚴(yán)格控制盾尾同步注漿量和漿液質(zhì)量，并及時(shí)進(jìn)行二次注漿。區(qū)間盾構(gòu)穿越過程中，在津秦客?？蚣軜騼蓚?cè)各30 m范圍內(nèi)施作二次深孔加強(qiáng)注漿加固以提高管片強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少后期沉降。

6　結(jié)語

1)盾構(gòu)隧道施工前，通過數(shù)值模擬計(jì)算盾構(gòu)隧道施工，評(píng)估其對(duì)鐵路橋梁的影響，可相對(duì)準(zhǔn)確采取輔助工程措施保證鐵路運(yùn)營安全，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

2)針對(duì)軟土地層側(cè)穿鐵路橋樁，進(jìn)行隔離+洞內(nèi)注漿措施可有效控制變形，保證鐵路運(yùn)營安全。

3)對(duì)于穿越鐵路，存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)有可能發(fā)生的一些突發(fā)事件，從管理、技術(shù)和組織等方面分析，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。